负载型铜钴氧化物协同催化H2O2/HCO3-降解苯酚

doi:10.1016/S1872-2067(15)61092-0

催化学报 ›› 2016, Vol. 37 ›› Issue (6): 963-970.DOI: 10.1016/S1872-2067(15)61092-0

负载型铜钴氧化物协同催化H₂O₂/HCO₃^-降解苯酚

李一冰^a,b, Ali Jawad^b, Aimal Khan^b, 卢小艳^b, 陈朱琦^b, 刘卫东^a, 尹国川^b

a 浙江师范大学化学与生命科学学院, 浙江金华 321004;
b 华中科技大学化学与化工学院, 湖北武汉 430074

收稿日期:2016-03-26 修回日期:2016-03-29 出版日期:2016-05-30 发布日期:2016-05-30
通讯作者: Guochuan Yin
基金资助:
国家自然科学基金(20921092, 21227801); 湖北省楚天学者基金.

Synergistic degradation of phenols by bimetallic CuO-Co₃O₄@γ-Al₂O₃ catalyst in H₂O₂/HCO₃^- system

Yibing Li^a,b, Ali Jawad^b, Aimal Khan^b, Xiaoyan Lu^b, Zhuqi Chen^b, Weidong Liu^a, Guochuan Yin^b

a College of Chemistry and Life Sciences, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, Zhejiang, China;
b Hubei Key Laboratory of Material Chemistry and Service Failure, School of Chemistry and Chemical Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China

Received:2016-03-26 Revised:2016-03-29 Online:2016-05-30 Published:2016-05-30
Contact: Guochuan Yin
Supported by:
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21273086) and Chutian Scholar Foundation from Hubei Province, China.

摘要/Abstract

摘要：

近年来, 环境污染特别是水的严重污染使其治理成为一个极具挑战性的课题. 各种污染物复杂的化学成分和催化剂在处理过程中的浸出、寿命及成本等问题是导致众多氧化催化剂难以实际应用的主要原因. 相对而言, H₂O₂是一种活性氧含量高、清洁并可在温和条件下使用的氧化剂, 在各种高级氧化技术中受到广泛关注. 而碳酸氢盐是一种弱碱性物质, 在自然界及水体系中广泛存在, 且无明显毒害. 它可活化 H₂O₂, 加快其氧化各种有机物, 并在废水处理领域开始受到关注. 该体系的明显优势在于处理体系始终处于微碱性环境, 可以有效避免金属氧化物催化剂在处理过程中由于体系酸化而带来的催化剂流失, 从而延长催化剂寿命, 降低催化剂成本.
本文采用浸渍法制备了一种双金属铜、钴氧化物催化剂及相关的对照催化剂体系, 利用碳酸氢盐活化 H₂O₂用于降解苯酚模拟废水. 通过各种空白实验发现, 负载于γ-Al₂O₃表面的钴、铜氧化物催化剂 CuO-Co₃O₄@γ-Al₂O₃具有最好的催化降解活性, 而 CuO@γ-Al₂O₃, Co₃O₄@γ-Al₂O₃, CuO-Co₃O₄及 CuO 和 Co₃O₄的物理混合物均表现出较差的催化性能. 由此可见, 在 CuO-Co₃O₄@γ-Al₂O₃催化剂中, 铜、钴离子在苯酚降解过程中存在协同效应, 这可能与催化剂中钴、铜金属离子的相互作用相关. X 射线衍射和 X 射线光电子能谱结果表明, 反应前后 CuO-Co₃O₄@γ-Al₂O₃催化剂中金属的氧化状态并未发生改变, 在使用过程中钴离子的浸出率可以忽略, 铜离子的浸岀率也仅有 0.6 ppm. 荧光分析实验和自由基捕获实验表明, 只有添加^·O₂^-和^·OH 的捕获剂能明显抑制降解反应, 因而推测该反应体系对有机物的降解是一个自由基氧化过程, 起关键作用的可能是^·O₂^-和^·OH.

关键词: 协同效应, 苯酚降解, 铜/钴氧化物催化剂, 机理研究, 碳酸氢盐活化的过氧化氢

Abstract:

The development of new catalytic techniques for wastewater treatment has long attracted much attention from industrial and academic communities. However, because of catalyst leaching during degradation, catalysts can be short lived, and therefore expensive, and unsuitable for use in wastewater treatment. In this work, we developed a bimetallic CuO-Co₃O₄@γ-Al₂O₃ catalyst for phenol degradation with bicarbonate-activated H₂O₂. The weakly basic environment provided by the bicarbonate buffer greatly suppresses leaching of active Cu and Co metal ions from the catalyst. X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy results showed interactions between Cu and Co ions in the CuO-Co₃O₄@γ-Al₂O₃ catalyst, and these improve the catalytic activity in phenol degradation. Mechanistic studies using different radical scavengers showed that superoxide and hydroxyl radicals both played significant roles in phenol degradation, whereas singlet oxygen was less important.

Key words: Synergistic effect, Phenol degradation, Copper/cobalt oxide catalyst, Mechanistic study, Bicarbonate-activated H₂O₂

李一冰, Ali Jawad, Aimal Khan, 卢小艳, 陈朱琦, 刘卫东, 尹国川. 负载型铜钴氧化物协同催化H₂O₂/HCO₃^-降解苯酚[J]. 催化学报, 2016, 37(6): 963-970.

Yibing Li, Ali Jawad, Aimal Khan, Xiaoyan Lu, Zhuqi Chen, Weidong Liu, Guochuan Yin. Synergistic degradation of phenols by bimetallic CuO-Co₃O₄@γ-Al₂O₃ catalyst in H₂O₂/HCO₃^- system[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2016, 37(6): 963-970.

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参考文献

[1] N. Oturan, M. Panizza, M. A. Oturan, J. Phys. Chem. A, 2009, 113, 10988-10993.
[2] M. Farhadian, D. Duches, C. Vachelard, C. Larroche, Appl. Biochem. Biotechnol., 2008, 151, 295-306.
[3] L. G. Devi, G. Krishnamurthy, J. Phys. Chem. A, 2011, 115, 460-469.
[4] N. Oturan, M. H. Zhou, M. A. Oturan, J. Phys. Chem. A, 2010, 114, 10605-10611.
[5] S. Zhang, H. Zhao, in: M. Duke, D. Y. Zhao, R. Semiat eds., Functional Nanostructured Materials and Membranes for Water Treatment, Wiley, 2013, 335.
[6] P. Forde, C. Kennelly, S. Gerrity, G. Collins, E. Clifford, Environ. Technol., 2015, 36, 1188-1204.
[7] A. H. Xu, H. Xiong, G. C. Yin, J. Phys. Chem. A, 2009, 113, 12243-12248.
[8] A. Jawad, Y. B. Li, X. Y. Lu, Z. Q. Chen, W. D. Liu, G. C. Yin, J. Hazard. Mater., 2015, 289, 165-173.
[9] X. X. Li, Z. D. Xiong, X. C. Ruan, D. S. Xia, Q. F. Zeng, A. H. Xu, Appl. Catal. A, 2012, 411-412, 24-30.
[10] A. H. Xu, X. X. Li, S. Ye, G. C. Yin, Q. F. Zeng, Appl. Catal. B, 2011, 102, 37-43.
[11] Z. Yang, H. Wang, M. Chen, M. X. Luo, D. S. Xia, A. H. Xu, Q. F. Zeng, Ind. Eng. Chem. Res., 2012, 51, 11104-11111.
[12] L. Zhou, W. Song, Z. Q. Chen, G. C. Yin, Environ. Sci. Technol., 2013, 47, 3833-3839.
[13] S. X. Liang, L. X. Zhao, B. T. Zhang, J. M. Lin, J. Phys. Chem. A, 2008, 112, 618-623.
[14] Y. Lei, C. S. Chen, Y. J. Tu, Y. H. Huang, H. Zhang, Environ. Sci. Technol., 2015, 49, 6838-6845.
[15] T. C. An, H. Yang, W. H. Song, G. Y. Li, H. Y. Luo, J. Phys. Chem. A, 2010, 114, 2569-2575.
[16] R. Hernandez, M. Zappi, J. Colucci, R. Jones, J. Hazard. Mater., 2002, 92, 33-50.
[17] I. Zacharaki, C. G. Kontoyannis, S. Boghosian, A. Lycourghiotis, C. Kordulis, Catal. Today, 2009, 143, 38-44.
[18] B. Solsona, T. E. Davies, T. Garcia, I. Vázquez, A. Dejoz, S. H. Taylor, Appl. Catal. B, 2008, 84, 176-184.
[19] Y. H. Zhang, H. F. Xiong, K. Liew, J. L. Li, J. Mol. Catal. A, 2005, 237, 172-181.
[20] F. E. López-Suárez, A. Bueno-López, M. J. Illán-Gómez, Appl. Catal. B, 2008, 84, 651-658.
[21] B. R. Strohmeier, D. E. Levden, R. S. Field, D. M. Hercules. J. Catal., 1985, 94, 514-530.
[22] Z. Ferencz, A. Erdohelyi, K. Baán, A. Oszkó, L. Óvári, Z. Kónya, C. Papp, H. P. Steinrück, J. Kiss, ACS Catal., 2014, 4, 1205-1218.
[23] Z. Zsoldos, L. Guczi, J. Phys. Chem., 1992, 96, 9393-9400.
[24] G. Fierro, M. L. Jacono, M. Inversi, R. Dragone, P. Porta, Top. Catal., 2000, 10, 39-48.
[25] P. W. Park, J. S. Ledford, Appl. Catal. B, 1998, 15, 221-231.
[26] S. Chaliha, K. G. Bhattacharyya, J. Hazard. Mater., 2008, 150, 728-736.
[27] J. B. d'Espinose de la Caillerie, M. Kermarec, O. Clause, J. Am. Chem. Soc., 1995, 117, 11471-11481.
[28] P. Shukla, H. Q. Sun, S. B. Wang, H. M. Ang, M. O. Tadé, Sep. Purif. Technol., 2011, 77, 230-236.
[29] A. Alejandre, F. Medina, A. Fortuny, P. Salagre, J. E. Sueiras, Appl. Catal. B, 1998, 16, 53-67.
[30] V. Rives, A. Dubey, S. Kannan, Phys. Chem. Chem. Phys., 2001, 3, 4826-4836.
[31] J. Garcia-Ivars, M. I. Iborra-Clar, M. I. Alcaina-Miranda, J. A. Mendoza-Roca, L. Pastor-Alcañiz, J. Hazard. Mater., 2015, 290, 51-59.
[32] H. S. Park, J. R. Koduru, K. H. Choo, B. Lee, J. Hazard. Mater., 2015, 286, 315-324.
[33] Z. Q. Chen, L. Yang, C. Choe, Z. A. Lv, G. C. Yin, Chem. Commun., 2015, 51, 1874-1877.
[34] C. Choe, L. Yang, Z. A. Lv, W. L. Mo, Z. Q. Chen, G. X. Li, G. C. Yin, Dalton Trans., 2015, 44, 9182-9192.
[35] L. Dong, Y. J. Wang, Y. Z. Lv, Z. Q. Chen, F. M. Mei, H. Xiong, G. C. Yin, Inorg. Chem., 2013, 52, 5418-5427.
[36] H. J. Guo, Z. Q. Chen, F. M. Mei, D. J. Zhu, H. Xiong, G. C. Yin, Chem. Asian J., 2013, 8, 888-891.
[37] A. Jawad, X. Y. Lu, Z. Q. Chen, G. C. Yin, J. Phys. Chem. A, 2014, 118, 10028-10035.
[38] Q. J. Xiang, J. G. Yu, P. K. Wong, J. Colloid Interface Sci., 2011, 357, 163-167.
[39] K. A. Hislop, J. R. Bolton, Environ. Sci. Technol., 1999, 33, 3119-3126.
[40] P. Raja, A. Bozzi, H. Mansilla, J. Kiwi, J. Photochem. Photobiol. A, 2005, 169, 271-278.
[41] R. Zhao, J. Lind, G. Merenyi, T. E. Eriksen, J. Am. Chem. Soc., 1994, 116, 12010-12015.
[42] H. M. Hung, J. W. Kang, M. R. Hoffmann, Water Environ. Res., 2002, 74, 545-556.

负载型铜钴氧化物协同催化H₂O₂/HCO₃^-降解苯酚

Synergistic degradation of phenols by bimetallic CuO-Co₃O₄@γ-Al₂O₃ catalyst in H₂O₂/HCO₃^- system

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[1]	刘德法, 孙彬, 白硕杰, 高婷婷, 周国伟. 双助催化剂Ag/Ti₃C₂/TiO₂分层花状微球用于增强光催化产氢活性[J]. 催化学报, 2023, 50(7): 273-283.
[2]	Eun Hyup Kim, Min Hee Lee, Jeehye Kim, Eun Cheol Ra, Ju Hyeong Lee, Jae Sung Lee. 无碱CO₂加氢高效制甲酸Pd/g-C₃N₄催化剂的单原子和纳米簇的协同作用[J]. 催化学报, 2023, 47(4): 214-221.
[3]	刘聪, 梅轩豪, 韩策, 宫雪, 宋平, 徐维林. 二氧化碳电还原催化剂调控策略与结构效应[J]. 催化学报, 2022, 43(7): 1618-1633.
[4]	李垒, 欧阳汶俊, 郑泽锋, 叶凯航, 郭禹希, 秦延林, 伍珍珍, 林展, 王铁军, 张山青. 基于Pt@TiO₂催化剂光-热协同催化甲醇-水液相重整甲醇制氢[J]. 催化学报, 2022, 43(5): 1258-1266.
[5]	俞浩然, 刘丹旭, 王恒屹, 于海爽, 闫青云, 嵇家辉, 张金龙, 邢明阳. CoP助催化光芬顿中单线态氧协同表面吸附羟基自由基降解苯酚[J]. 催化学报, 2022, 43(10): 2678-2689.
[6]	唐士朋, 夏阳, 范佳杰, 程蓓, 余家国, Wingkei Ho. 碳铂双助催化剂增强CdS空心球光催化产氢性能[J]. 催化学报, 2021, 42(5): 743-752.
[7]	李乃旭, 黄美优, 周建成, 刘茂昌, 敬登伟. MgO和Au纳米颗粒共修饰g-C₃N₄光催化剂增强CO₂-H₂O光催化反应过程[J]. 催化学报, 2021, 42(5): 781-794.
[8]	张树静, 马红, 孙玉霞, 刘鑫, 张美云, 罗杨, 高进, 徐杰. 铜镍双金属催化剂上糠醛水相选择性偶联加氢-重排制环戊酮[J]. 催化学报, 2021, 42(12): 2216-2224.
[9]	马思, 黎子平, 贾吉, 张震威, 夏虹, 李贺, 陈雄, 许彦红, 刘晓明. 酰胺连接的共价有机骨架的制备及其在水中高效光催化性能[J]. 催化学报, 2021, 42(11): 2010-2019.
[10]	李成斌, 李贺, 李纯志, 任小敏, 杨启华. SiO₂/COPs的合成及其在光催化反应中的协同效应[J]. 催化学报, 2021, 42(10): 1821-1830.
[11]	孙万军, 孟翔宇, 徐春江, 杨峻懿, 梁向明, 董银娟, 董聪朝, 丁勇. 无定形CoO_x耦合碳点构筑海绵状多孔结构的双功能光催化剂用于提高水氧化和二氧化碳还原性能[J]. 催化学报, 2020, 41(12): 1826-1836.
[12]	万梓霞, 何秋婷, 陈菊丹, 泰勒·伊西姆扬, 王宝, 杨秀林. 溶解-再生长法构建Fe-Dy氧化物调控镍-有机框架电子结构的高性能水分解电催化剂[J]. 催化学报, 2020, 41(11): 1745-1753.
[13]	董斌, 谢静宜, 童志, 迟京起, 周亚楠, 马雪, 林中源, 王磊, 柴永明. 金属Ni和Co氧化物与N掺杂的碳球协同作用用于电解水析氧反应[J]. 催化学报, 2020, 41(11): 1782-1789.
[14]	翟慧珊, 刘小磊, 王泽岩, 刘媛媛, 郑昭科, 秦晓燕, 张晓阳, 王朋, 黄柏标. 贵金属Au-Ag合金修饰ZnO用于光催化高效降解乙烯[J]. 催化学报, 2020, 41(10): 1613-1621.
[15]	汪弘嘉, 王艳杰, 郭令举, 张雪华, Caue Ribeiro, 贺涛. 光致热效应促进的全光谱光催化CO₂还原[J]. 催化学报, 2020, 41(1): 131-139.